Сторінка 8 з 41
Нейтронно-фізичних ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОЇ ЗОНИ ПРИ РОБОТІ реактора НА ПОТУЖНОСТІ
4.1. РОЗПОДІЛ енерговиділення В АКТИВНОЇ ЗОНИ
Розподіл енерговиділення в активній зоні характеризується коефіцієнтами нерівномірності енерговиділення, знання яких необхідно для визначення допустимої теплової потужності реактора (див. § 5.3).
Прийнято розглядати коефіцієнти нерівномірності енерговиділення по радіусу, висоті і об'єму активної зони. За визначенням коефіцієнт нерівномірності енерговиділення по радіусу активної зони дорівнює:
(4.1)
де Q - середня і максимальна потужності ТВЗ в активній зоні (зазвичай індексом i конкретизують місце розташування максимально енергонапряженності ТВЗ в активній зоні - розрахунковий номер, координата).
Для реакторів з борним регулюванням максимальне значення k-мaкc коливається в межах 1,2 -1,4, а для реакторів з регулюванням механічними органами СУЗ-в межах 1,5 - 2,1.
Мала нерівномірність енерговиділення в реакторах з борним регулюванням дозволяє зняти з активної зони велику теплову потужність. Коефіцієнти нерівномірності енерговиділення в активній зоні розраховують на ЕОМ (kмакс) на всю майбутню кампанію (див. § 7.2). Експеріментальниe значення відносної потужності ТВС kr / i визначають на основі вимірів температури води на виході з ТВС і температури теплоносія на вході в реактор. Значення відносної потужності ТВС розраховують за формулою
(4.2)
де tвих-температура води на виході з i-й ТВС; tbx-температура води на вході в реактор з j- й циркуляційної петлі; Gj- масова витрата в j-й циркуляційної петлі; gi - масова витрата в i-й ТВС; т-число циркуляційних петель; п - число ТВЗ в активній зоні.
Для вимірювання температури води на виході з ТВС ВВЕР оснащені системою температурного контролю. Вимірювання температури здійснюється термопарами, які досить працездатні в широкому діапазоні температур в умовах нейтронного і у-опромінення. Найбільш широко використовуються хромі-лькопелевие і платино-платинородієві (10% Rh) термопари. У ВВЕР-440 контролюється температура води на виході близько двох третин ТВС всієї активної зони, а в ВВЕР-1000 - на виході всіх касет. Температура води на вході в активну зону вимірюється в циркуляційних петлях. Залежно від парової навантаження парогенераторів, числа працюючих петель, гідравлічного опору можливі деякі відхилення вхідних температури по петлях. У практичних розрахунках температура води на вході в активну зону приймається рівною усередненим значенням по всім працюючим петель реактора. При усередненні враховується різниця у витраті води по петлях.
Витрата теплоносія через ТВС активної зони визначають, виходячи з гідравлічних характеристик ТВЗ (див. § 5.2). Потужність ТВС в умовах експлуатації розраховують за коефіцієнтами нерівномірності енерговиділення при відомій середній потужності ТВС активної зони. Розподіл енерговиділення по висоті активної зони зазвичай отримують розрахунком на всю кампанію (див. § 7.2). Експериментальне розподіл енерговиділення визначають в спеціальних вимірювальних каналах за допомогою датчиків системи внутрішнього реакторного контролю. В активну зону ВВЕР-440 встановлюють від 12 до 36 вимірювальних каналів. Вимірювальний канал являє собою трубку з нержавіючої сталі з заглушеним нижнім кінцем, що проходить через кришку реактора в центральну трубку робочої ТВС. У касетах ВВЕР-1000 V блоку НВАЕС детектори системи внутрішнього реакторного контролю (ВРК) розміщуються не в центральній трубці, а в спеціальному каналі виміру енерговиділення; є 31 вимірювальний канал, підключений до системи ВРК (див. рис. 3.11).
Розподіл щільності нейтронного потоку і енерговиділення по висоті вимірюють активаційними і емісійними детекторами, а також іонізаційними камерами [45]. Як активаційних детекторів використовують калібровані мідні дроту з постійною масою на одиницю довжини. Дріт опромінюють в вимірювальному каналі протягом часу, достатнього для насичення ізотопом 64Сu, після чого витягають з активної зони і витримують якийсь час для розпаду короткоживучих ізотопів міді. Виміряний після цього розподіл активності по довжині дроту буде відповідати розподілу щільності нейтронного потоку по висоті вимірювального каналу в момент опромінення дроту.
У ВВЕР широко використовуються емісійні детектори - детектори прямий зарядки (ДПЗ). Принцип дії ДПЗ заснований на виникненні електричного потенціалу в детекторі, що складається з емітера і колектора, при розпаді нейтронно-чутливого емітера. Зазвичай в якості емітера ДПЗ використовуються родій і ванадій.
ДПЗ мають невеликі розміри і досить прості вторинні прилади. Недоліком детекторів прямої зарядки є досить велика їх інерційність. У серійному ВВЕР-440 в кожен вимірювальний канал встановлюється по чотири родієвого ДПЗ довжиною по 250 мм і один ванадієвий ДПЗ довжиною 2500 мм. Родієві детектори призначені для вимірювання розподілу щільності нейтронного потоку по висоті каналу, а ванадієвий - для вимірювання повної нейтронної потужності в каналі. Крім того, розподіл щільності нейтронного потоку по висоті може бути виміряна при переміщенні ДПЗ по довжині каналу.
При практичному контролі умов роботи тепловиділяючих елементів необхідно знати розподіл енерговиділення, співвідношення якого з розподілом щільності потоку теплових нейтронів змінюється в міру вигоряння палива. У початковий момент вигоряння щільність потоку нейтронів і питомий енерговиділення пов'язані співвідношенням
(4.3)
де- перетин ділення-початкова концентрація ядер
235U.
При обліку накопичення 239Pu і 241Pu і вигоряння 235U співвідношення (4.3) набуває вигляду
(4.4)
де і # 963; f - перетину ділення 239Pu і 241Pu; # 925; 25, # 925; 39 і W41 концентрація ядер 235U, 239Рu і 241Рu відповідно.
Для переходу від виміряного розподілу щільності потоку теплових нейтронів до розподілу енерговиділення необхідно проводити перерахунки, що виконуються, як правило, на ЕОМ і враховують вигоряння 23SU і накопичення ізотопів плутонію. З цією метою інформація від ДПЗ вводиться в ЕОМ, яка забезпечує оперативну переробку даних і інформацію оператора про результати вимірювань з урахуванням вигоряння емітера ДПЗ. Для спрощення розрахункових програм інформаційних (керуючих) електронно-обчислювальних машин бажано застосовувати крім детекторів, які вимірюють щільність потоку теплових нейтронів, детектори, свідчення яких характеризують безпосередньо енерговиділення в оточуючих канал твелах. Енерговиділення в твелах однозначно характеризується щільністю потоку швидких або резонансних нейтронів, яку можна вимірювати за допомогою модернізованих ДПЗ або іонізаційних камер. Наприклад, ДПЗ з емітером зі срібла, оточений кадмиевой оболонкою для відсікання теплових нейтронів, реєструє в основному щільність потоку резонансних нейтронів, яка в кінцевому рахунку пропорційна енерговиділення в оточуючих твелах.
Зменшення коефіцієнтів нерівномірності по радіусу Кмакс і висоті кгмакс і об'ємного коефіцієнта нерівномірності
має велике практичне значення з точки зору можливості збільшення потужності реактора і глибини вигорання палива. Тому на ВВЕР безперервно проводяться роботи з вирівнювання потужності.
У ВВЕР використовується зонний принцип комплектації завантажень (див. § 7.1), який дозволяє вирівнювати енерговиділення по радіусу активної зони і в поєднанні з борним регулюванням зменшувати об'ємну нерівномірність енерговиділення.
В процесі вигоряння палива відбувається додаткове самовиравніваніе енерговиділення, обумовлене нерівномірністю вигоряння, пропорційного енерговиділення, і нерівномірністю прояву ефекту отруєння і мощностного ефекту реактивності. Значення коефіцієнтів нерівномірності протягом роботи завантаження зменшуються. Деяке збільшення коефіцієнтів нерівномірності в кінці кампанії обумовлено поступовим вилученням з активної зони керуючої групи СУЗ (рис. 4.1). Особливо сильно від наявності частково занурених стрижнів СУЗ залежить розподіл енерговиділення по висоті (рис. 4.2) [9].
Мал. 4.1. Зміна коефіцієнтів нерівномірності енерговиділення при роботі першого завантаження ВВЕР-440 IV блоку НВАЕС (криві - розрахункові дані; точки-експериментальні дані)
Мал. 4.2. Залежність висотного коефіцієнта нерівномірності енерговиділення від висоти вилучення механічних органів СУЗ з різною інтегральної ефективністю
Найменшу нерівномірність створює витяг з активної зони «легких» груп.
Експерименти з вивчення поля енерговиділення виявляють деталі, що вислизають при серійних розрахунках (рис. 4.3).
На закінчення відзначимо, що вирівнювання енерговиділення збільшує ймовірність виникнення ксенонових коливань (див. § 4.3). Ксенонові коливання - це ефект періодичного перерозподілу потужності за обсягом активної зони, що викликається зворотним зв'язком між потужністю і концентрацією 135Хе.
У ВВЕР-440 ймовірність ксенонових коливань мала, і якщо такі коливання виникають, то вони мають апериодический характер, малу амплітуду і швидко згасають.
Відмінною особливістю ВВЕР-1000 є можливість виникнення просторових ксенонових коливань потужності
Мал. 4.3. Розподіл енерговиділення по висоті вимірювального каналу ВВЕР-440 III блоку НВАЕС:
1 - розрахунок; 2-вимірювання; канал в осередку 13 - 30; потужність в реакторі 55%; висота вилучення 12-ї групи 127 см; Сн3во3 = 2,79 г / кг Н2О
Мал. 4.4. Осьове розподіл щільності потоку нейтронів в ВВЕР-1000 в режимі зміни навантаження:
а - потужність реактора 100%, стрижні регулювання витягнуті з активної зони; б-потужність реактора знижена до 50%, стрижні регулювання опущені на висоту активної зони, яка дорівнює 0,4 На.е .; в - потужність реактора збільшена до 100% після роботи на рівні потужності 50% протягом 5,3 год в обсязі активної зони.
Мал. 4.5. Схема руху стрижнів управління У для придушення просторових ксенонових коливань по висоті активної зони ВВЕР-1000
Імовірність виникнення ксенонових коливань зростає зі збільшенням розмірів реактора в разі збурень в розподілі потужності. Найбільші обурення поля в ВВЕР-1000 виникають в режимі роботи зі зміною рівня потужності, наприклад зниження потужності зі 100 до 50% на деякий час з подальшим підйомом до 100% (рис. 4.4). На малюнку чітко виражено виникнення деформації в осьовому розподілі нейтронного потоку, викликане перехідними процесами на ксеноні і переміщенням органів регулювання СУЗ.
Мабуть, в ряді випадків для зменшення розмірів обурення в розподілі потужності доцільно стрижні регулювання повністю опускати, а їх вплив компенсувати зміною концентрації борної кислоти на весь час роботи реактора на зниженій потужності.
Складовою частиною системи управління ВВЕР-1000 є досить розвинена система внутрішнього реакторного контролю, забезпечена машинної обробкою результатів. Оперативна інформація про розподіл потужності по активній зоні дозволяє своєчасно скоригувати почалися деформації полів. Радіальні і азимутальні деформації розподілу потужності можуть бути виправлені витяганням або опусканням певних груп поглиначів. Висотні деформації можна виправляти за допомогою спеціально передбаченої для цієї мети групи керуючих стержнів У з половинною висотою поглинає речовини, переміщаючи їх по висоті активної зони (рис. 4.5).